2.10. Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 2.38. Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователемВАП к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощиАЦП производится ее дискретизация и кодирование (см. ниже); наконец, цифровое отсчетное устройствоЦОУ превращает кодированную информацию о измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабораторных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания оператором форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматического введения поправок для уменьшения систематических погрешностей, автоматической калибровки, автоматизации процесса измерения.

Недостатками цифровых приборов являются сложность, сравнительно высокая стоимость и меньшая, чем у аналоговых приборов, надежность. Следует, однако, указать, что развитие техники интегральных схем в значительной мере позволяет устранить указанные недостатки.

Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величинаХ(t)заменяется последовательностью отсчетовХ(t k), взятых в некоторые моменты времениtk. Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами Dt=t_k+1-t_kвыбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации Dtпостоянен. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величиныХ(t)конечным набором ее дискретных значенийХ _n. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется устройство, называемое дешифратором.

Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. Ясно, что замена непрерывной величины рядом ее значений, считанных в определенные дискретные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины впромежутках между отсчетами. Конечно число уровней квантования также является причиной погрешностей ЦИП.

Аналого-цифровые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи—это измерительные преобразователи, назначение которых состоит в автоматическом преобразовании измеряемой аналоговой величины в дискретную, представленную в виде цифрового кода. В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и поразрядного уравновешивания.

АЦП с время импульсным преобразованием. В основу время-импульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). АЦП, использующие этот метод, применяются для преобразования временного интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.

Упрощенная функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 2.39. Она включает в себя два преобразователя. Первый преобразует входную величинуХ в интервал времени Dt, второй—интервал времени Dtв последовательность импульсов (цифровой код)N. Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величиныХ, то структура преобразователя временной интервал—код одинакова для всех АЦП. Она представлена на схеме рис. 2.40. Временной интервал Dt_x=t₂—t₁задается двумя короткими импульсамии _t1 иu_t2 опорным (в момент времениt₁) и интервальным (в момент времениt₂). Эти импульсы поступают на блок формирования (БФ), вырабатывающий прямоугольный импульсu _пр длительностью D t_x=t₂—t₁ . Указанный прямоугольный импульс подается на один из входов1 временного селектора (ВС). На другой вход2временного селектора от генератора счетных импульсов (ГСИ) постоянно поступает последовательность счетных импульсови_сч со строго определенной частотой следованияf _сч. Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт прямоугольным импульсоми_пр, т.е. в течение временного интервала Dt_x. Поскольку период следования счетных импульсовТ_сч =1/f _счвыбирается много меньшим, чем Dt_x, то можно утверждать, что число счетных импульсовN, прошедших через ВС, выражается формулойN» =Dt_x / Т_сч=Dt_xf _сч . Следовательно, Dt_x» N/f _сч . Таким образом, каждому временному интервалу ставится в соответствие последовательность определенного числа импульса на выходе АЦП, т.е. цифровой код.

Суммарная погрешность описанного выше АЦП определяется следующими основными факторами: нестабильностью частоты следования счетных импульсов, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС, погрешностью дискретности. Чтобы практически устранить погрешность, вызванную нестабильностью f _сч ,применяют ГСИ с кварцевой стабилизацией. Вторая составляющая погрешностиобусловлена влиянием помех на работу БФ. Основным элементом БФ является триггер. На момент переброса триггера из одного состояния в другое может влиять помеха, которая складывается с напряжением, поступающим на вход БФ. Поэтому длительность прямоугольного импульса, воздействующего на ВС, может несколько отличаться от временного интервала Dt_x. Это отличие приводит к погрешности, которая носит случайный характер. Для ее уменьшения следует по возможности увеличивать отношение сигнал/помеха на входе БФ.

Третья составляющая погрешности является следствием того, что числовое значение временного интервала D t_xнепрерывной аналоговой величины заменяется целым числом периодовТ_сч . Поскольку интервал Dt_xв общем случае не кратенТ_сч , то возникает погрешность дискретности, абсолютное значение которой не превосходит длительности периода следования счетных импульсов: ? D_{д? ?} T _сч. Существуют способы уменьшения погрешности дискретности. Самый прямой связан с увеличением частоты следования счетных импульсов; к сожалению, существенному продвижению в этом направлении препятствуют технические сложности создания высокочастотной аппаратуры. Применяется также синхронизация счетных импульсов с началом дискретизируюшего временного интервала; это позволяет вдвое уменьшить значение погрешности дискретности. Имеются и другие, более сложные, но зато и более эффективные способы [8] .

В качестве примера рассмотрим структурную схему время-импульсного АЦП, использующегося в цифровых вольтметрах постоянного тока (рис. 2.41, а). Этот АЦП преобразует постоянное напряжение в цифровой код. Наряду с блоками, представленными на рис. 2.40, он содержит генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, устройство сравнения (УС), а также блок управления (БУ) . На БФ с БУ поступает импульси _t1. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсыи_сч . Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжениеи_к подается на устройство сравнения, которое вырабатывает импульси _t2 в момент, когдаи_кстановится равными _x, входному напряжению, постоянно поступающему на УС. Импульси _t2 приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Временные диаграммы приведены на рис. 2.41,б. Число импульсов, заполняющих временной интервалt₂-t₁ приближенно дается формулой

(2.88)

Но t₂-t₁ =и _x/k, гдеk—известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряженияи _k. Таким образом,

(2.89)

Или

(2.90)

Погрешность преобразования, кроме рассмотренных ранее составляющих, содержит также вклад от линейности напряжения ГЛИН, нестабильности коэффициента k, т.е. нестабильности наклона кривой линейно изменяющегося напряжения и смещения нуля. Шумовая помехаu _ш , наложенная на входное напряжениеиc . также является источником погрешности, поскольку при наличии такой помехи устройство сравнения вырабатывает импульсu_t2 не в момент, когдаи_к=и _x, а в момент, когдаи_к=и _x+u _ш . Подавление помех осуществляется при помощи специальных фильтров. Общая приведенная погрешность АЦП данного типа составляет около 0,1%.

АЦП с частотно-импульсным преобразованием. В частотно-импульсных АЦП входная аналоговая величина (например, напряжениеu_x) предварительно преобразуется в частоту следования импульсовf_x.

Цифровой код формируется посредством заполнения этими импульсами временного интервала строго определенной длительности Т ₀. Структурная схема АЦП данного типа представлена на рис. 2.42,а. Входное напряжениеu_x поступает на генератор импульсовГИ с управляемой частотой следованияf_x. Частота следованияf_xуправляется входным напряжениеми в соответствии с формулой

(2.91)

где k—известный коэффициент пропорциональности

Устройство управления (УУ) запускает генератор импульсов калиброванной длительности, который управляет временным селектором (ВС), открывая его на время Т ₀. Число кодовых импульсов , поступающих на выход,

(2.92)

Временная диаграмма работы частотно-импульсного АЦП представлена на рис. 2.42, б. Частотно-импульсные АЦП менее чувствительны к помехам, несмотря на то что помеха меняет частоту следования импульсов f_x. Дело в том, что за времяТ ₀ эти изменения частоты следования могут частично взаимно компенсироваться. Если, например, помеха имеет симметричный характер и ее частота равна или кратнаТ ₀, то средняя за времяТ ₀ частота

(2.93)

где и _min— амплитуда напряжения помехи;2p п / Т ₀—ее частота.

Таким образом, средняя за время Т ₀ частота оказывается пропорциональной входному напряжению, т.е. влияние помехи исключается. Приведенная погрешность частотно-импульсных АЦП составляет сотые доли процента.

АЦП поразрядного уравновешивания. Рассмотрим работу этого АЦП на примере преобразователя напряжение—цифровой код. Структурная схема АЦП поразрядного преобразования представлена на рис. 2.43. Измеряемое напряжениеu_xсравнивается с набором образцовых напряженийи ₀₁>u₀₂>...> и _0n, составленным по определенному закону, например, в соответствии с разрядами двоичной системы счисления. Эти напряжения поступают на устройство сравненияУС от преобразователя код—образцовое напряжение в соответствии с командами устройства управления. Преобразователь код—образцовое напряжение представляет собой цифро-аналоговый преобразовательЦАП, задачей которого является выработка аналогового напряжения в соответствии с поступающим на его вход числовым кодом.

Последовательность работы АЦП поразрядного уравновешивания задается генератором тактовых импульсов ГТИ. В первом такте происходит сравнение входного напряжения и~ с наибольшим образцовым напряжениеми _x. Еслии _x< и ₀₁ т.е.и _x—и ₀₁<0, то устройство управления подает на выход код 0. Таким образом, высший разряд выходного двоичного кода будет нулевым. После этого напряжениеи ₀₁ отключается от устройства сравнения, а подается напряжение u ₀₂ =и ₀₁/2. После этого снова происходит сравнение, на этот рази _xии ₀₂. Если сноваи _x— и ₀₂<0, то опять от устройства сравнения отключаетсяu₀₂и посылается 0 в следующий разряд, двоичного кода. Это происходит до тех пор, пока не будети _x—и _0i>0. Тогдаi-му разряду будет приписана единица, а к напряжениюи _0i добавитсяи _0i+1 =и _0i/2 и в следующем также будет произведено сравнениеи _x ии _{0i+ и 0i/2.} Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет подобрано напряжение, наиболее близкое к входному. Двоичный код затем преобразуется в десятичный и в этом виде используется в последующих блоках вольтметра. АЦП с поразрядным уравновешиванием и вольтметры на их основе имеют высокую точность (погрешность 0,001%) и быстродействие (частота тактов более 1МГц).

Цифро-аналоговые преобразователи. В схемах цифровых измерительных приборов нередко используются устройства, преобразующие цифровой код в аналоговую величину, однородную с измеряемой. Они также часто устанавливаются в цепях обратной связи различных информационно-измерительных систем. Такие устройства называются цифроаналоговыми преобразователями. На рис. 2.44 представлена схема ЦАП весового типа. РезисторыR1, R2,..., RNподбираются таким образом, чтобы их проводимости соотносились как весовые коэффициенты управляющего двоичного кода, т.е. чтобы

При этом выходное напряжение будет иметь значение

(2.94)

где А—коэффициент пропорциональности;Е—образцовое напряжение;n—число разрядов управляющего двоичного кода, поступающего на входыа ₁,а ₁,..., а _n; i—номер разряда;k_i—разрядный коэффициент, который может принимать значения 0 или 1 в зависимости от положения ключаS_i.

В свою очередь, положение ключей управляется кодовыми импульсами, поступающими на входы а ₁,а ₁,..., а _n. В результате цифровой код оказывается преобразованным в пропорциональное аналоговое напряжение. Приведенная погрешность ЦАП составляет около 0,1%.

Цифровые отсчетные устройства.Цифровые отсчетные устройства (ЦОУ) служат для представления результатов измерения в виде обычных, удобных для считывания оператором десятичных цифр. В ЦОУ применяется несколько типов цифровых индикаторов. Наиболее распространены газоразрядные, светодиодные и жидкокристаллические индикаторы.

Газоразрядные индикаторы имеют набор проволочных катодов, выполненных в форме десяти арабских цифр, и общий сетчатый анод. Катоды собраны в пакет и размещены по глубине один за другим в баллоне, наполненном неоном. Если напряжение подается на анод и какой-либо из катодов, то между ними возникает тлеющий разряд в виде светящейся соответствующей цифры. Рабочее напряжение газоразрядных индикаторов составляет 170—200В. Индикаторы с таким высоким напряжением плохо совместимы с низковольтными интегральными микросхемами. Это является их основным недостатком.

Светодиодные индикаторы используют полупроводниковые инжекционные светоизлучающие диоды. Светодиоды излучают в видимой части спектра. Цвет излучения зависит от материала и может быть практически любым—от красного до зеленого. Индикаторы этого типа обычно имеют сегментную структуру. Та или иная цифра формируется высвечиванием определенных сегментов. К достоинствам светодиодных индикаторов относятся высокая яркость, большая долговечность, низкие рабочие напряжения (несколько вольт). Однако эти индикаторы имеют только небольшие размеры.

Жидкокристаллические сегментные индикаторы используют свойство некоторых органических веществ, называемых жидкими кристаллами, изменять коэффициент преломления под влиянием приложенного напряжения. Конструктивно индикаторы выполнены в виде конденсатора, обкладками которого являются проводящие электроды, нанесенные в виде прозрачных пленок на две стеклянные пластинки. Тонкий слой жидкого кристалла находится между этими пластинками. Индикаторы не излучают собственной энергии, они работают в отраженном свете, используя контраст между участками с приложенным напряжением и фоном. Поэтому жидкокристаллические индикаторы очень экономичны. Недостатком этих индикаторов является зависимость контрастности изображения от внешней засветки, а также невысокая яркость.